漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)漂浮平臺淺析

梁 甜，吳繼亮，糜文杰，攝 宇

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在水塘、湖泊、水庫等水域環(huán)境中建設(shè)的光伏電站，具有節(jié)約用地、提高系統(tǒng)發(fā)電效率、受外界人為干擾少、對環(huán)境保護有益等特點[1]。該技術(shù)在國外發(fā)展得比較早，截止2017年，日本、韓國、英國、挪威、美國、西班牙等國家均發(fā)展了水上漂浮式光伏電站[1]。相較國外，我國起步較晚，2015年底才開始有項目動工建設(shè)，2017年水上漂浮式電站才開始大規(guī)模興起。

由于漂浮式光伏為近幾年新興光伏發(fā)電開發(fā)模式，缺乏相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)手冊，現(xiàn)有《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中缺乏對應(yīng)的風(fēng)荷載計算模式[2]。同時，由于其不同于常規(guī)地面電站，漂浮平臺造價對項目的投資影響較大。

本文結(jié)合實際工程案例，針對兩種不同型式的漂浮平臺，從平臺受荷、占地面積、造價三方面進行了對比分析，為漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)平臺選型提供借鑒。

1 不同型式漂浮平臺簡介

綜合分析國內(nèi)外已建漂浮式光伏電站案例，目前該型式平臺主要包括兩種類型：一體化浮筒(圖1)和浮筒+固定支架(圖2)。

圖1 一體化浮筒圖

一體化浮筒漂浮平臺利用高密度聚乙烯材料，按照組件安裝傾角要求制作專用浮筒，1個浮筒上安裝1塊光伏組件，主浮筒由過道浮筒逐一拼接，形成漂浮平臺。

圖2 浮筒+固定支架圖

浮筒+固定支架式漂浮平臺由高密度聚乙烯浮箱與金屬支架組合構(gòu)成，下部采用高密度聚乙烯浮箱，浮箱上部架設(shè)金屬支架，支架上部固定光伏組件。

2 不同型式漂浮平臺對比分析

本文結(jié)合山東某地實際工程(項目所在地最佳傾角為30°，設(shè)計風(fēng)速為30 m/s)，從平臺受荷、平臺占地面積、平臺造價三方面，對兩種平臺進行了分析。

2.1 不同型式漂浮平臺受風(fēng)荷載對比

漂浮式平臺光伏組件布置具有其特殊性：組件較低一側(cè)離漂浮平臺距離小，前后排組件凈間距小，前后排組件間未形成封閉空間?，F(xiàn)有《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中缺乏對應(yīng)的風(fēng)荷載計算模式[2]。本節(jié)運用FLUENT建立三維有限元模型，對不同型式下漂浮平臺安裝組件后受風(fēng)荷載作用的大小進行分析。

2.1.1 模型建立

分別對一體化浮筒平臺(小傾角安裝，12°)及浮筒+固定支架平臺(最佳傾角安裝，30°)進行了順風(fēng)及逆風(fēng)工況下的模擬，模擬陣列均為10行×9列。建模過程中，首先根據(jù)光伏組件在冬至日上午9點至下午3點不遮擋的原則計算組件凈間距，然后將平臺及組件模型進行拼裝，得出平臺的長、寬、高(含組件在豎直方向投影高度)尺寸。

計算域大小(風(fēng)洞尺寸)采用如下原則確定[3-6]：順風(fēng)向長度=30倍平臺高度+平臺順風(fēng)向長度+30倍平臺高度；橫風(fēng)向長度=10倍平臺高度+平臺橫風(fēng)向長度+10倍平臺高度；計算域高度=15倍平臺高度。針對浮筒+固定支架平臺，由于本模擬側(cè)重點為大傾角模式下平臺及組件受風(fēng)荷載大小分析，模型建立過程中不考慮鋼支架的作用。兩種漂浮平臺計算模型見圖3和圖4。

2.1.2 邊界條件

模擬中，假定平臺受風(fēng)荷載作用后系泊系統(tǒng)處于張緊狀態(tài)，近似將水面按地面考慮。模型的入口邊界，采用速度入口邊界條件，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及項目所在區(qū)域地形地貌，模擬中來流按荷載規(guī)范中的B類地面粗糙度剪切流考慮。模型的出口邊界，采用完全發(fā)展出流邊界條件。模型計算域的頂部和兩側(cè)，采用對稱邊界條件，等價于自由滑移的壁面。模型中平臺、組件及計算域底部，采用無滑移的壁面條件。湍流模型采用SST k-模型[7-8]。

圖3 一體化浮筒平臺模型圖

圖4 浮筒+固定支架平臺模型圖

2.1.3 模擬結(jié)果

基于前述模型建立及邊界條件設(shè)置，對四種工況(工況1：小傾角安裝，12°順風(fēng)；工況2：小傾角安裝，12°逆風(fēng)；工況3：大傾角安裝，30°順風(fēng)；工況4：大傾角安裝，30°逆風(fēng)；)進行了風(fēng)荷載模擬。模擬示意如圖5，圖5中組件排數(shù)編號依風(fēng)的來流方向依次遞增，從第1排至第10排，組件列數(shù)編號依東西方向自東向西依次遞增，從第1列至第9列。

圖5 模擬示意圖

根據(jù)模擬風(fēng)流分布圖：平臺邊緣風(fēng)速增大明顯；按30°布置時，平臺內(nèi)組件周圍有明顯的風(fēng)旋渦作用，而在12°布置時除邊緣組件外，其余區(qū)域未出現(xiàn)旋渦現(xiàn)象。

通過提取各組件受到的水平方向風(fēng)荷載作用力，如圖6～圖9所示，可得到各種工況下組件受風(fēng)荷載的特點：

1)各種工況下，漂浮平臺上組件受到的風(fēng)荷載作用均有遮擋效應(yīng)，即第1排組件受到的風(fēng)荷載較大，后續(xù)各排組件受到的風(fēng)荷載先減小后增大；且逆風(fēng)工況時，平臺上第1排組件的遮擋效應(yīng)強于順風(fēng)工況；

2)各種情況下，漂浮平臺上邊緣組件受到的風(fēng)荷載較中間大，且荷載增加幅度較中間大；

3)一體化浮筒上小傾角布置的首尾兩排組件受到的風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于浮筒+固定支架平臺上按最佳傾角布置的組件受到的風(fēng)荷載，根據(jù)統(tǒng)計，順風(fēng)工況時，組件按30°布置時，第1排組件受到的平均風(fēng)荷載作用為按12°布置時的8.1倍，第10排組件受到的平均風(fēng)荷載作用為按12°布置時的2.2倍；逆風(fēng)工況時，組件按30°布置時，第1排組件受到的平均風(fēng)荷載作用為組件按12°布置時的2.9倍，第10排組件平均受風(fēng)荷載作用為組件按12°布置時的2.0倍。

圖6 工況1 (12°順風(fēng))

圖7 工況2 (12°逆風(fēng))

圖8 工況3 (30°順風(fēng))

圖9 工況4 (30°逆風(fēng))

2.2 占地面積分析

太陽能陣列必須考慮前、后排的陰影遮擋問題，并通過計算確定陣列間的距離或陣列與建筑物的距離。一般確定原則為：冬至日當(dāng)天早晨9:00至下午15:00(真太陽時)的時間段內(nèi)，太陽電池陣列不應(yīng)被遮擋。計算公式如下：

光伏陣列間距或可能遮擋物與陣列底邊的垂直距離應(yīng)不小于D：

(1)

式中：D為遮擋物與陣列的間距，m；H為遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差，m；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，deg；A為太陽方位角，deg；δ為太陽赤緯角，deg；ω為時角，deg。

根據(jù)計算，當(dāng)采用一體化浮筒平臺，組件安裝傾角為12°時，組件之間凈間距需不小于0.465 m，而采用浮筒+固定支架漂浮平臺，組件安裝傾角30°時，組件之間凈間距需不小于1.115 m。

考慮組件在水平面投影后，當(dāng)采用一體化浮筒平臺，組件安裝傾角為12°時，一塊組件在南北方向所需長度D=0.97 m(投影長度)+0.465 m=1.435 m，當(dāng)采用浮筒+固定支架漂浮平臺，組件安裝傾角為30°時，一塊組件在南北方向所需長度D=0.86 m(投影長度)+1.115 m=1.975 m。由于組件在東西方向投影長度為組件本身長度L，即一塊組件所占投影面積A=L×D。根據(jù)前述計算可知，考慮單元方陣按1 MW布置(忽略相鄰平臺間隔)時，采用浮筒+固定支架漂浮平臺且組件安裝傾角為30°時，所需水域面積為采用一體化浮筒平臺且組件安裝傾角為12°時的1.376倍,占用水域面積明顯增加。

2.3 平臺造價分析

漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)漂浮平臺造價是影響漂浮平臺選型的重要因素。本節(jié)結(jié)合市場調(diào)研及實際計算對不同型式漂浮平臺造價進行對比分析。一體化浮筒平臺與浮筒+固定支架平臺在造價上的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面：浮筒數(shù)量、錨樁數(shù)量、占地面積、支架重量。

根據(jù)山東某漂浮式光伏電站實際實施情況，針對一體化浮筒平臺，采用容量440 W的光伏組件時，1 MW單元方陣需組件浮筒約2 280個、過道浮筒(含集電線路浮筒)約2 508個、逆變器和匯流箱浮筒約80個，錨樁約300 m，占地面積約20畝，考慮連接螺栓等緊固件后，折合成每瓦單位造價約1.000元。針對浮筒+固定支架平臺，經(jīng)過對固定支架進行截面選型和強度校核，采用容量440 W的光伏組件時，1 MW單元方陣需固定支架約61.7 t(含連接件及緊固件)，需要標(biāo)準(zhǔn)浮筒5 372個(單個面積0.5 m2)，錨樁約600 m，占地面積約27畝，折合成每瓦單位造價約1.397元。不同型式漂浮平臺價格對比見表1。由表1可見，一體化浮筒平臺在造價上相對浮筒+固定支架平臺具有一定優(yōu)勢。

3 結(jié) 語

本文介紹了一體化浮筒平臺和浮筒+固定支架平臺，結(jié)合實際項目，從平臺受荷、平臺占地面積、平臺造價三方面進行了對比分析：

1)兩種平臺在同等風(fēng)速作用下，漂浮平臺上組件受到的風(fēng)荷載作用均有遮擋效應(yīng)，且逆風(fēng)工況時，平臺上第1排組件的遮擋效應(yīng)強于順風(fēng)工況。一體化浮筒上小傾角布置的首尾兩排組件受到的風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于浮筒+固定支架平臺上按最佳傾角布置的組件受到的風(fēng)荷載。

表1 不同漂浮平臺造價對比表

注：①2020年2季度價格為基準(zhǔn)；②價格包含緊固件，不含安裝等費用；③租地價格為項目地價格，500(元/畝·年)。

2)一體化浮筒平臺較浮筒+固定支架平臺占地面積小，在緯度30°地區(qū)，占地面積可節(jié)約37%左右。

3)一體化浮筒平臺型式簡單，造價受風(fēng)等外荷載影響較小。而浮筒+固定支架平臺，需要根據(jù)不同環(huán)境計算固定支架，且固定支架用鋼量較常規(guī)電站偏高。相比較，一體化浮筒平臺在造價上相對浮筒+固定支架平臺具有一定優(yōu)勢。